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ansys非线性接触分析知识讲解
第五章 接触分析
5.1概述
接触问题是一种高度非线性行为，需要较多的计算机资源。
为了进行切实有效的计算，理解问题的物理特性和建立合理的模型是很重要的。
接触问题存在两个较大的难点：
其一，在用户求解问题之前，用户通常不知道接触区域。
随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同，表面之间可以接触或者分开，这往往在很大程度上是难以预料的，并且还可能是突然变化的。
其二，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可供挑选，它们都是非线性的。
摩擦效应可能是无序的，所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。
注意--如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。
约束方程仅在小应变分析（NLGEOM，off）中可用。
见《ANSYSModelingandMeshingGuide》中的§12，CouplingandConstraintEquations。
除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等。
5.1.1显式动态接触分析能力
除了本章讨论的隐式接触分析外，ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。
显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。
关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNAUser"sGuide》。
5.2一般接触分类
接触问题分为两种基本类型：
刚体─柔体的接触，柔体─柔体的接触。
在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度）。
一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，可以假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。
柔体─柔体的接触是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有相似的刚度）。
柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。
5.3ANSYS接触分析功能
ANSYS支持三种接触方式：
点─点，点─面，面─面接触。
每种接触方式使用不同的接触单元集，并适用于某一特定类型的问题。
为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触。
如果相互作用的其中之一是一点，模型的对应组元是一个节点。
如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，如梁单元、壳单元或实体单元。
有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程，后面会分类详述，然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。
参见《ANSYSElementsReference》和《ANSYSTheoryReference》。
表5-1ANSYS接触分析功能
点-点
点-面
面
-面
CONTAC12
CONTAC
52
CONTA
178
CONTAC
26
CONTAC
48
CONTAC
49
CONTAC171,172TARGET169
CONTAC173,174TARGET170
点-点
Y
Y
Y
点-面
Y
Y
Y
面-面
Y
Y
Y
Y
2-D
Y
Y
Y
Y
Y
Y
3-D
Y
Y
Y
Y
滑动
小
小
小
大
大
大
大
大
曲面
Y
Y
圆柱间隙
Y
Y
纯Lagrange乘子
Y
增加Lagrange乘子
Y
Y
Y
Y
Y
接触刚度
用户定义
半自动
用户定义
用户定义
用户定义
半自动
半自动
自动网格工具
EINTF
EINTF
None
GCGEN
GCGEN
ESURF
ESURF
低阶
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
高阶
Y
Y
Y
刚体-柔体
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
柔体-柔体
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
热接触
Y
Y
Y
Y
5.3.1面─面的接触单元
ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。
这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。
分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。
用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。
为了建立一个“接触对”，给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。
参见§5.4。
这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触，锻造，深拉问题。
与点─面接触单元相比，面─面接触单元有许多优点:
支持面上的低阶和高阶单元（即角节点或有中节点的单元）；
支持有大滑动和摩擦的大变形。
计算一致刚度阵，可用不对称刚度阵选项；
提供为工程目的需要的更好的接触结果，如法向压力和摩擦应力；
没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须的，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续；
与点─面接触单元比，需要较少的接触单元，因而只需较小的磁盘空间和CPU时间，并具有高效的可视化；
允许多种建模控制，例如：
绑定接触，不分离接触，粗糙接触；
渐变初始穿透；
目标面自动移动到初始接触；
平移接触面（考虑梁和单元的厚度），用户定义的接触偏移；
死活能力；
支持热-力耦合分析。
使用这些单元来做为刚性目标面，能模拟2D和3D中的直线（面）和曲线（面），通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱来模拟曲面。
更复杂的刚体形状或普通可变形体，可以应用特殊的前处理技巧来建模，参见§5.4。
面-面接触单元不能很好地应用于点-点或点-面接触问题，如管道或铆头装配。
在这种情况下，应当应用点-点或点-面接触单元。
用户也可以在大多数接触区域应用面-面接触单元，而在少数接触角点应用点-点接触单元。
面－面接触单元只支持一般的静态或瞬态分析，屈曲、模态、谱分析或子结构分析。
不支持谐响应分析、缩减或模态叠加瞬态分析，或缩减或模态叠加谐响应分析。
本章后面将分别讨论ANSYS不同接触分析类型的能力。
5.3.2点─面接触单元
点─面接触单元主要用于给点─面接触行为建模，例如两根梁的相互接触（梁端或尖角节点），铆头装配部件的角点。
如果通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面接触单元来模拟面─面的接触问题。
面既可以是刚性体也可以是柔性体。
这类接触问题的一个典型例子是插头插到插座里。
使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格。
并且允许有大的变形和大的相对滑动，虽然这一功能也可以模拟小的滑动。
CONTACT48和CONTACT49单元是点─面的接触单元。
这2种单元支持大滑动、大变形、以及接触部件间不同的网格。
用户也可以用这2种单元来进行热-机械耦合分析，其中热在接触实体之间的传导非常重要。
应用CONTACT26单元用来模拟柔性点─刚性面的接触。
对有不光滑刚性面的问题，不推荐采用CONTACT26单元，因为在这种环境下，可能导致接触的丢失。
在这种情况下，CONTACT48通过使用伪单元算法，能提供较好的建模能力（参见《ANSYSTheoryReference》），但如果目标面严重不连续，依然可能失败。
5.3.3点─点接触单元
点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为。
为了使用点─点接触单元，用户需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况（即使在几何非线性情况下）。
其中一个例子是传统的管道装配模型，其中接触点总是在管端和约束之间。
点─点接触单元也可以用于模拟面─面的接触问题，如果两个面上的节点一一对应，相对滑动又可以忽略不计，两个面位移（转动）保持小量，那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题，过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─面接触问题的典型例子。
另一个点─点接触单元的应用是表面应力的精确分析，如透平机叶片的分析。
ANSYS的CONTA178单元是大多数点-点接触问题的最好选择。
它比其他单元提供了范围更广的选项和求解类型。
CONTAC12和CONTAC52单元保留的理由，在很大程度上是为了与已有模型的向下兼容。
5.4面─面的接触分析
用户可以应用面-面接触单元来模拟刚体-柔体或柔体之间的接触。
从菜单（Preprocessor>Create>ContactPair>ContactWizard）进入接触向导，为大多数接触问题建立接触对提供了简单的方法。
接触向导将指导用户建立接触对的整个过程。
每个对话框中的HELP按钮对其应用及选项作了详细说明。
在用户未对模型的任何区域分网之前，接触向导不能应用。
如果用户希望建立刚体-柔体模型，则在进入接触向导前，仅对用作柔体接触面的部分分网（不对刚体目标面分网）。
如用户希望建立柔体-柔体接触模型，则应在进入接触向导前，对所有用作接触面的部件进行分网（包括目标面）。
下面诸节将论述不用接触向导来建立接触面和目标面的方法。
5.4.1应用面-面接触单元
在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面，而把另一个作为“接触”面。
对刚体─柔体的接触，目标面总是刚性面，接触面总是柔性面。
对柔体─柔体的接触，目标面和接触面都与变形体关联。
这两个面合起来叫作“接触对”。
使用TARGE169与CONTA171（或CONTA172）单元来定义2-D接触对。
使用TARGE170与CONTA173（或CONTA174）单元来定义3-D接触对。
程序通过相同的实常数号来识别每一个接触对。
5.4.2接触分析的步骤
典型面─面接触分析的基本步骤如下，后面将对每一步骤进行详细解释。
1、建立几何模型并划分网格；
2、识别接触对；
3、指定接触面和目标面；
4、定义目标面；
5、定义接触面；
6、设置单元关键选项和实常数；
7、定义／控制刚性目标面的运动（仅适用于刚体-柔体接触）；
8、施加必须的边界条件；
9、定义求解选项和载荷步；
10、求解接触问题；
11、查看结果。
5.4.3建立几何模型并划分网格
在这一步，用户需要建立代表接触体的几何实体模型。
与其它分析一样，需要设置单元类型、实常数、材料特性。
用恰当的单元类型给接触体划分网格。
参见《ANSYSModelingandMeshingGuide》。
命令：
AMESH
VMESH
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Mesh
5.4.4识别接触对
用户必须判断模型在变形期间哪些地方可能发生接触。
一旦已经判断出潜在的接触面，就应该通过目标单元和接触单元来定义它们，目标和接触单元将跟踪变形阶段的运动。
构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常数号联系起来。
接触区域可以任意定义，然而为了更有效地进行计算（主要指CPU时间），用户可能想定义更小的局部化的接触区域，但要保证它足以描述所需要的所有接触行为。
不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义，即使实常数没有变化。
但不限制允许的面的数目。
图5-1局部接触区域
由于几何模型和潜在变形的多样性，有时候一个接触面的同一区域可能与多个目标面产生接触关系。
在这种情况下，应该定义多个接触对（使用多组覆盖接触单元）。
每个接触
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